【正文】 ............... 25 具有保護(hù)隔離的并聯(lián)形式驅(qū)動(dòng)電路 ............................................................. 25 單元化形式的驅(qū)動(dòng)電路 ................................................................................. 26 設(shè)計(jì)電路的參數(shù)設(shè)定 ..................................................................................... 27 確定開關(guān)頻率 .......................................................................................... 28 選擇輸入整流橋（ D1）和熱敏電阻 NTC ............................................ 28 輸入電容的選擇（ C1 和 C2） .............................................................. 29 輸出電感的選擇 ...................................................................................... 30 開關(guān) MOSSFET 管（ Q11）和續(xù)流二極管的選擇 ............................... 30 LED 限流電阻的選擇（ R13） ............................................................... 30 VDD 限流電阻（ R11）和保持電容（ C13）的選擇 ............................ 31 熱敏電阻 RT11 的選擇 ........................................................................... 31 本章小節(jié) ......................................................................................................... 31 結(jié)論 ............................................................................................................................ 32 致謝 ............................................................................................................................ 33 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 34 附錄 A ........................................................................................................................ 35 附錄 B ........................................................................................................................ 40 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 隨著 LED 光效及總體發(fā)光量的不斷提高，大功率 LED 照明在普通照明方面的市場(chǎng)也得到不斷拓展，相應(yīng)的電源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品也隨市場(chǎng)的升溫如 雨后春筍般萌發(fā)。怎樣更好地使驅(qū)動(dòng)電源和LED 相匹配，既是 LED 生產(chǎn)廠家也是 LED 驅(qū)動(dòng)電源廠家亟待解決的問題。該專用電源系統(tǒng)具有一定的控制功能，可實(shí)現(xiàn)輸出功率的實(shí)時(shí)控制。投資者對(duì) LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片行業(yè)的關(guān)注越來(lái)越密 切，這使得 LED 恒流驅(qū)動(dòng)芯片行業(yè)的發(fā)展需求增大。最近興起的半導(dǎo)體固體照明被認(rèn)為是繼熒光燈照明之后，人類照明史上的又一次歷史性飛躍。加上化學(xué)燃料的燃燒經(jīng)常伴隨著對(duì)環(huán)境有污染的氣體的產(chǎn)生，人們便開始了尋找和開發(fā)發(fā)光效率更高的照明器件的歷程。一般來(lái)說，普通的白熾燈的發(fā)光效率約 16lm/w。它的發(fā)光機(jī)理為 :當(dāng)在半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED,lightemitting diode)的兩端加上正偏的電壓時(shí)，大量的電子空穴對(duì)注入半導(dǎo)體，當(dāng)電子和空穴在半導(dǎo)體中的某些特殊活性區(qū)域中復(fù)合時(shí)，即產(chǎn)生光子，這些光子的能量和半導(dǎo)體的禁帶寬度有關(guān)。由于其發(fā)出的黃光太暗，不適合實(shí)際應(yīng)用 。隨著電子器件的研發(fā)和業(yè)界認(rèn)識(shí)的逐步深入，最終出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。 60 年代末，在 砷化稼基體上使用磷化物發(fā)明了第一個(gè)可見的紅光 LED。就在此時(shí)，前蘇聯(lián)科學(xué)家利用金剛砂制造出發(fā)出黃光 的 LED。到 20 世紀(jì) 90 年代早期，采用鋼鋁磷化稼生產(chǎn)出了桔紅、橙、黃和綠光的 LED。利用這種技術(shù)制造出任何可見光的 LED。大功率 LED 照明光源與傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈照明光源相比，有如下優(yōu)點(diǎn) ]1[ : 1. 高效節(jié)能性。 2. 光色純，光線質(zhì)量高。 4. 可靠、耐用。 5. 應(yīng)用靈活。因其響應(yīng)時(shí)間短，作汽車燈反應(yīng)快，可延長(zhǎng)剎車的反應(yīng)時(shí)間，故能減少交通事故的發(fā)生幾率。同時(shí)，其熒光粉的用量也僅為普通熒光燈的 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 于分之一，利于稀土資源的可持續(xù)利用。與現(xiàn)有照明燈具相比，半導(dǎo)體照明要進(jìn)入普通照明市場(chǎng)還需滿足以下基本要求 ，首先要求單顆 LED 有足夠大的光通量，這樣才能使被照的物體產(chǎn)生足夠的亮度。根據(jù)照明場(chǎng)合的不同，光源的色溫可高 或低，但它們的色度坐標(biāo)點(diǎn)都應(yīng)該非常接近黑體輻射的軌跡。當(dāng)然，由于 LED壽命長(zhǎng)，燈具的利用效率高，成本略高于普通光源也還是可以接受的。如今， LED 照明產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)集中在大功率高亮度白光 LED。 我國(guó)在高亮度 LED 這一領(lǐng)域起步較晚，從 1993 年開始，中科院半導(dǎo)體所、北京大學(xué)等單位在國(guó)家 863 計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下，在相關(guān)領(lǐng)域開始了許多研究工作。 各國(guó)政府均大力扶持白光 LED 的發(fā)展，美、日、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家皆由政府成立專項(xiàng)積極推行，如日本的“ 21 世紀(jì)的照明計(jì)劃”計(jì)劃將耗費(fèi) 60 億日元推行半導(dǎo)體照明；美國(guó)的“下一代照明計(jì)劃”時(shí)間是從 20202020 年，計(jì)劃投資 5 億美元； xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 歐盟的“彩虹計(jì)劃”已在 2020 年 7 月啟動(dòng)，通過歐共體的資助推廣應(yīng)用白光LED ]12[ 。 日本在功率型高亮度 LED 的研制與產(chǎn)業(yè)化開發(fā)方面在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平，日業(yè)化工、豐田合成和住友電子處于領(lǐng)先地位。 德國(guó)的 OSRAM 號(hào)稱剛剛建立了世界上最先進(jìn)的芯片生產(chǎn)線，將主要用來(lái)生產(chǎn) LED 和半導(dǎo)體激光器。該實(shí)驗(yàn)室利用一種新技術(shù)概念，使光效最大可達(dá) 1001m/w。 2020 年，日本住友和臺(tái)灣博達(dá)共同投資在臺(tái)灣成立了博友科技，專門從事單芯片 ZnSe 白光 LED 芯片的生產(chǎn)。美國(guó)光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)于 2020 一年制定了半導(dǎo)體固體照明燈 在未來(lái)幾年的發(fā)展目標(biāo)和遠(yuǎn)景 ]13[ 。 2020 年照明 LED 燈的市場(chǎng)定位為占領(lǐng)熒光燈市場(chǎng)， 實(shí)現(xiàn)發(fā)光效率 1501m/W，使用壽命超過 10 萬(wàn)小時(shí)，單燈光通量大于 10001m，顯色指數(shù)做到大于 80。 高亮度藍(lán)光二極管的出現(xiàn)，不僅僅是豐富了色彩，有了紅橙黃綠青 藍(lán)紫全彩，更為重要的意義是由此產(chǎn)生了白光半導(dǎo)體燈。家庭用白光 LED照明燈發(fā)光效率高、使用壽命長(zhǎng)是不爭(zhēng)的事實(shí)，只是目前還 需等待產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)成熟和成本的進(jìn)一步下降。由此， LED 照明燈進(jìn)入千家萬(wàn)戶揭開序幕，其市場(chǎng)需求量將是一天文數(shù)字。源于 100W 左右的 LED 光源與傳統(tǒng)照明光源相比有著更突出的性價(jià)比，以及很快形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模的 LED 路燈和景觀照明市場(chǎng)。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第 2章 大功率 LED 光電特性及控制方式 大功率 LED的特性 作為照明光源，我們關(guān)心的大功率 LED 的性能指標(biāo)主要有亮度、光強(qiáng)、色坐標(biāo)，色溫，顯色指數(shù)和發(fā)光效率?？梢钥闯?，在恒定電壓的驅(qū)動(dòng)下，不同 LED 上流經(jīng)的正向電流大小不同，導(dǎo)致發(fā)出的白光亮度不同，如圖中虛線所示。此外， LED的正向壓降變化范圍比較大 (最大可達(dá) 1V 以上 )，而由上圖中的 VFIF 曲線可知， VF 的微小變化會(huì)引起較大的 IF 變化，從而引起亮度的較大變化。另外，隨著照明 LED 單燈功率的增大，管芯的尺寸隨之增大，這將在芯片內(nèi)部產(chǎn)生電場(chǎng)分布，同樣會(huì)使發(fā)光效率下降。根據(jù)相關(guān)色溫公式 ((McCamy 1992)計(jì)算不同注入電流下的色溫 ]10[ 。但對(duì)照明用 LED，為達(dá)到匹配要求，電源與驅(qū)動(dòng)電路的壽命必須超過 10 萬(wàn)小時(shí)，使其不再成為半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的瓶頸因素。 LED 實(shí)際上是一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)的低電壓?jiǎn)蜗驅(qū)щ娖骷?LED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)具有直流控制、高效率、 PWM 調(diào)光、過壓保護(hù)、負(fù)載斷開、小型尺寸以及簡(jiǎn)便易用等特點(diǎn)。 3． LED 的電流 電壓特性是非線性的，流過 LED 的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動(dòng)勢(shì)減去 LED 的勢(shì)壘電勢(shì)后再除以回路的總電阻 (電源內(nèi)阻、引線電阻和 LED 體電阻之和 )。流過 LED 的電流和 LED 的光通量的比值也是非線性的。如果加在LED 上的電功率超過一定數(shù)值， LED 也可能損壞。 1．必須針對(duì) LED 具體要求來(lái)設(shè)計(jì)和選用驅(qū)動(dòng)源 LED 的正向伏安特性和普通二極管類似，外加正向電壓稍有變化，其正向電流將產(chǎn)生很大變化，致使LED 內(nèi)部損耗及發(fā)熱快速上升，嚴(yán)重影響 LED 的正常工作和壽命。 2．必須盡可能提高電能利用率，以達(dá)到最大節(jié)能效果 LED 的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能。凡 ≥50W 的電源其功率因數(shù)和產(chǎn)生的諧波必須滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。 4．有完善有效的安全保護(hù)功能 電流源應(yīng)具有安全保護(hù)功能，這些保護(hù)包括：過流保護(hù)、短路保護(hù)。但這給產(chǎn)品的生產(chǎn)管理和在世界范圍內(nèi)的銷售帶來(lái)不便。 6．輸出級(jí)的設(shè)計(jì) LED 驅(qū)動(dòng)源設(shè)計(jì)可以在普通穩(wěn)壓源的基礎(chǔ)上增加電流檢測(cè)，使穩(wěn)壓、穩(wěn)流由同一反饋回路完成，也可以在電壓源輸出端增加一級(jí)恒流變換級(jí)驅(qū)動(dòng) LED。 大功率 LED驅(qū)動(dòng)控制電路的分類 由于大功率 LED 在壽命上具有很大優(yōu)勢(shì)，所以發(fā)展前景非常廣闊，其中最被看好的照明應(yīng)用是汽車、醫(yī)療設(shè)備和儀器儀表及其它特種照明環(huán)境。但這種電路結(jié)構(gòu)的電源效率只達(dá)到 70%左右。 圖 25 普通大功率 LED 交流驅(qū)動(dòng)電路 恒壓驅(qū)動(dòng)電路 恒壓驅(qū)動(dòng)電路在外部輸入的電壓有變化時(shí) ,恒壓驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電壓均保持不變。 圖 27 恒流驅(qū)動(dòng)電路 PWM 調(diào)制驅(qū)動(dòng)控制電路 1． PWM 控制方式 為了實(shí)現(xiàn) LED 恒流控制，大功率 LED 驅(qū)動(dòng)器一般都有支持 PWM 調(diào)節(jié)的功能。 如圖 28 所示， PWM 變換器有功率開關(guān)管、整流二極管及濾波電路組成。 圖 28 PWM 變換器的工作原 理 PWM 技術(shù)最初及更廣泛的應(yīng)用是在數(shù)控、調(diào)頻等技術(shù)領(lǐng)域中，并已普遍應(yīng)用于穩(wěn)壓開關(guān)電源控制方案中，在 LED 要求恒流驅(qū)動(dòng)的電源控制方案中也得到很好應(yīng)用。與 PWM 調(diào)節(jié)控制 模式相區(qū)別，仍然保持脈沖的形式直接驅(qū)動(dòng) LED，在一個(gè)脈沖周期內(nèi)同樣通過取樣電阻實(shí)現(xiàn)恒流，這樣的驅(qū)動(dòng)形式既保持了峰值電流的可控且穩(wěn)定，又可以實(shí)現(xiàn)平均電流的 PWM 調(diào)節(jié)。 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 29 大功率集成驅(qū)動(dòng)芯片原理圖 本章小結(jié) LED 驅(qū)動(dòng)電源是 LED 燈具的關(guān)鍵所在，它就好比一個(gè)人的心臟，要制造高品質(zhì)的、用于照明的 LED 燈具必須放棄恒壓方式驅(qū)動(dòng) LED。 表 31 幾款常用驅(qū)動(dòng)大功率 LED 的驅(qū)動(dòng)芯片 1W 到 10W 的 LED 降壓恒流驅(qū)動(dòng) IC 型號(hào) 輸入 輸出電流 效率 使能 封裝 CMD7136 ~6V 400mA1A 85% 無(wú) SOT893 CMD7135 ~6V 350mA 85% 無(wú) SOT893 CMD7132 ~6V 320mA 85% 無(wú) SOT893 CMD7128 ~6V 280mA 94% 無(wú) SOT893 CMD5612 ~6V 1200mA 94% 無(wú) TO252 PT4115 8~30V 1200mA 94% 有 SOT895 CMD7150 4~40V 1500mA 94% 有 TO2525 AMC7150 4~40V 1500mA 94% 有 TO2525 CMD736 4~40V 3000mA 90% 有